第2章電力電子器件Chapter2:PowerElectronicDevices/PowerSemiconductorDevices12/28/20231第2章電力電子器件12/28/202322.1電力電子器件概述

12/28/202332.1.1電力電子器件的概念和特征■電力電子器件的概念◆電力電子器件：可直接用于處理電能的主電路中，實現電能的變換或控制的電子器件。?主電路(MainPowerCircuit)：在電氣設備或電力系統中，直接承擔電能的變換或控制任務的電路。?電力電子器件可分為電真空器件和半導體器件兩類，目前往往專指電力半導體器件。12/28/202342.1.1電力電子器件的概念和特征■電力電子器件的特征所能處理電功率的大小，也就是其承受電壓和電流的能力，是其最重要的參數，一般都遠大于處理信息的電子器件。為了減小本身的損耗，提高效率，一般都工作在開關狀態。

由信息電子電路來控制,而且需要驅動電路。

自身的功率損耗通常仍遠大于信息電子器件，在其工作時一般都需要安裝散熱器。12/28/202352.1.1電力電子器件的概念和特征電力電子器件的功率損耗12/28/20236通態損耗Von×Io斷態損耗Voff×Ileak開關損耗開通損耗Won關斷損耗Woff損耗2.1.2應用電力電子器件的系統組成12/28/20237■電力電子器件在實際應用中，一般是由控制電路、驅動電路和以電力電子器件為核心的主電路組成一個系統。

電氣隔離圖2-1電力電子器件在實際應用中的系統組成2.1.3電力電子器件的分類■按照能夠被控制電路信號所控制的程度

12/28/20238晶閘管〔Thyristor,SiliconControlledRectifier,SCR〕及其大局部派生器件半控型器件器件的關斷完全是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。全控型器件絕緣柵雙極性晶體管〔Insulated-GateBipolarTransistor,IGBT〕電力場效應晶體管〔PowerMOSFET〕通過控制信號既可以控制其導通，又可以控制其關斷。不能用控制信號來控制其通斷。不可控器件電力二極管〔PowerDiode〕2.1.3電力電子器件的分類12/28/20239■按照驅動信號的性質◆電流驅動型通過從控制端注入或者抽出電流來實現導通或者關斷的控制。◆電壓驅動型僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號就可實現導通或者關斷的控制。SCR,GTO,GTR電力MOSFET,IGBT,IGCT,IEGT,MCT■按照驅動信號的波形◆脈沖觸發型通過在控制端施加一個電壓或電流的脈沖信號來實現器件的開通或者關斷的控制。◆電平控制型必須通過持續在控制端和公共端之間施加一定電平的電壓或電流信號使器件開通并維持在導通狀態或者關斷并維持在阻斷狀態。SCRGTO,GTR,電力MOSFET,IGBT等2.1.3電力電子器件的分類12/28/202310■按照載流子參與導電的情況◆單極型器件多子(Majority)器件，由一種載流子(carrier)參與導電。◆雙極型器件少子(Minority)器件，由電子和空穴兩種載流子參與導電。電力MOSFET,Schottky二極管SCR,GTO,GTR◆復合型器件單極型器件和雙極型器件集成混合而成，也稱混合型器件。IGBT,MCT2.1.4本章內容和學習要點■本章內容◆按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其它新型器件的順序，分別介紹各種電力電子器件的工作原理、根本特性、主要參數以及選擇和使用中應注意的一些問題。■學習要點◆最重要的是掌握其根本特性。◆了解電力電子器件的型號命名法，掌握其參數和特性曲線的使用方法。◆了解電力電子器件的半導體物理結構和根本工作原理。◆了解某些主電路中對其它電路元件的特殊要求。12/28/2023112.2不可控器件——電力二極管12/28/202312電力二極管〔PowerDiode〕自20世紀50年代初期就獲得應用，其結構和原理簡單，工作可靠，直到現在電力二極管仍然大量應用于許多電氣設備當中。SemiconductorRectifier,SR取代汞弧整流器在采用全控型器件的電路中電力二極管往往是不可缺少的，特別是開通和關斷速度很快的快恢復二極管和肖特基二極管，具有不可替代的地位。續流，鉗位2.2不可控器件——電力二極管12/28/2023132.2.1PN結與電力二極管的工作原理根本結構和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣。電力二極管是以半導體PN結為根底的，實際上是由一個面積較大的PN結和兩端引線以及封裝組成的。從外形上看，可以有螺栓型、平板型等多種封裝。12/28/202314AKAKa)IKAPNJb)c)AK圖2-2電力二極管的外形、結構和電氣圖形符號a)外形b)根本結構c)電氣圖形符號2.2.1PN結與電力二極管的工作原理PN結12/28/202315圖2-3PN結的形成二極管的根本原理就在于PN結的單向導電性這一主要特征。2.2.1PN結與電力二極管的工作原理二極管的根本原理——PN結的單向導電性12/28/202316狀態參數正向導通反向截止反向擊穿電流正向大幾乎為零反向大電壓維持約1V反向大反向大阻態低阻態高阻態——PN結的反向擊穿〔兩種形式)雪崩擊穿齊納擊穿均可能導致熱擊穿2.2.1PN結與電力二極管的工作原理電力二極管與信息電子中普通二極管區別垂直導電結構提高二極管通流能力P-i-N結構提高二極管反向耐壓電導調制效應降低二極管通態壓降12/28/202317圖2-4電力二極管內部結構斷面示意圖2.2.1PN結與電力二極管的工作原理PN結的電容效應稱為結電容CJ，又稱為微分電容按其產生機制和作用的差異分為勢壘電容CB和擴散電容CD。勢壘電容只在外加電壓變化時才起作用，外加電壓頻率越高，勢壘電容作用越明顯。擴散電容僅在正向偏置時起作用。在正向偏置時，當正向電壓較低時，勢壘電容為主。正向電壓較高時，擴散電容為結電容主要成分。結電容影響PN結的工作頻率，特別是在高速開關的狀態下，可能使其單向導電性變差，甚至不能工作。12/28/2023182.2.2電力二極管的根本特性靜態特性--伏安特性正向電壓大到一定值〔門檻電壓UTO〕，正向電流才開始明顯增加，處于穩定導通狀態。與IF對應的電力二極管兩端的電壓即為其正向電壓降UF。承受反向電壓時，只有少子引起的微小而數值恒定的反向漏電流。12/28/202319圖2-5電力二極管的伏安特性2.2.2電力二極管的根本特性動態特性定義：二極管的電壓--電流特性是隨時間變化。〔專指反映通態和斷態之間轉換過程的開關特性〕因為結電容的存在，必然引入的過渡過程。由正向偏置轉換為反向偏置--關斷電力二極管并不能立即關斷，而是須經過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力，進入截止狀態。在關斷之前有較大的反向電流出現，并伴隨有明顯的反向電壓過沖。延遲時間：td=t1-t0電流下降時間：tf=t2-t1反向恢復時間：trr=td+tf恢復特性的軟度：tf/td，或稱恢復系數，用Sr表示。12/28/202320

圖2-6電力二極管的動態過程波形正向偏置轉換為反向偏置零偏置轉換為正向偏置2.2.2電力二極管的根本特性由零偏置轉換為正向偏置--開通先出現一個過沖UFP，經過一段時間才趨于接近穩態壓降的某個值〔如2V〕。正向恢復時間tfr

出現電壓過沖的原因：電導調制效應起作用所需的大量少子需要一定的時間來儲存，在到達穩態導通之前管壓降較大；正向電流的上升會因器件自身的電感而產生較大壓降。電流上升率越大，UFP越高。12/28/202321圖2-6電力二極管的動態過程波形

b)零偏置轉換為正向偏置2.2.3電力二極管的主要參數1〕正向平均電流IF(AV)指電力二極管長期運行時，在指定的管殼溫度〔簡稱殼溫，用TC表示〕和散熱條件下，其允許流過的最大工頻(50Hz)正弦半波電流的平均值。IF(AV)是按照電流的發熱效應來定義的，使用時應按有效值相等的原那么來選取電流定額，并應留有一定的裕量。換算關系：正弦半波電流的有效值IFrms和平均值IF(AV)之比：12/28/2023222.2.3電力二極管的主要參數12/28/202323換算關系推導

正弦半波電流的有效值:正弦半波電流的平均值：IFrms和平均值IF(AV)之比：2.2.3電力二極管的主要參數2〕正向壓降UF指電力二極管在指定溫度下，流過某一指定的穩態正向電流時對應的正向壓降。3〕反向重復峰值電壓URRM指對電力二極管所能重復施加的反向最頂峰值電壓。使用時，應當留有兩倍的裕量。4〕最高工作結溫TJM結溫是指管芯PN結的平均溫度，用TJ表示。最高工作結溫是指在PN結不致損壞的前提下所能承受的最高平均溫度。TJM通常在125～175C范圍之內。5〕反向恢復時間trr： trr=td+tf6〕浪涌電流IFSM指電力二極管所能承受最大的連續一個或幾個工頻周期的過電流。12/28/2023242.2.4電力二極管的主要類型按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別是反向恢復特性的不同，介紹幾種常用的電力二極管。普通二極管〔GeneralPurposeDiode〕又稱整流二極管〔RectifierDiode〕，多用于開關頻率不高〔1kHz以下〕的整流電路中。其反向恢復時間較長，一般在5s以上。其正向電流定額和反向電壓定額可以到達很高。12/28/2023252.2.4電力二極管的主要類型快恢復二極管〔FastRecoveryDiode——FRD〕恢復過程很短，特別是反向恢復過程很短〔一般在5s以下〕。快恢復外延二極管〔FastRecoveryEpitaxialDiodes——FRED〕，采用外延型P-i-N結構，其反向恢復時間更短〔可低于50ns〕，正向壓降也很低〔0.9V左右〕。從性能上可分為快速恢復和超快速恢復兩個等級。前者反向恢復時間為數百納秒或更長，后者那么在100ns以下，甚至到達20~30ns。12/28/2023262.2.4電力二極管的主要類型肖特基二極管〔SchottkyBarrierDiode——SBD〕屬于多子器件優點在于：反向恢復時間很短〔10~40ns〕，正向恢復過程中也不會有明顯的電壓過沖；在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復二極管；因此，其開關損耗和正向導通損耗都比快速二極管還要小，效率高。弱點在于：當所能承受的反向耐壓提高時，其正向壓降也會高得不能滿足要求，因此多用于200V以下的低壓場合；反向漏電流較大且對溫度敏感，因此反向穩態損耗不能忽略，而且必須更嚴格地限制其工作溫度。12/28/2023272.2.4電力二極管的主要類型12/28/202328類型普通二極管快恢復二極管超快恢復二極管肖特基二極管原理PiN結PiN結、摻金、外延PiN結、摻金、外延金屬與半導體接觸反向耐壓高較高較高低正向壓降高較高較低低正向電流大大較大小反向恢復時間>5uS<5uS<100ns10~40ns2.3半控型器件—晶閘管晶閘管〔Thyristor〕是晶體閘流管的簡稱，又稱作可控硅整流器〔SiliconControlledRectifier——SCR〕，以前被簡稱為可控硅。1956年美國貝爾實驗室〔BellLaboratories〕創造了晶閘管。1957年美國通用電氣公司〔GeneralElectric〕開發出了世界上第一只晶閘管產品，并于1958年使其商業化。開辟了電力電子技術迅速開展和廣泛應用的嶄新時代。20世紀80年代以來，開始被全控型器件取代。由于其能承受的電壓和電流容量仍然是目前電力電子器件中最高的，而且工作可靠，因此在大容量的應用場合仍然具有比較重要的地位。12/28/2023292.3半控型器件——晶閘管12/28/2023302.3.1晶閘管的結構與工作原理12/28/202331晶閘管的結構從外形上來看，晶閘管也主要有螺栓型和平板型兩種封裝結構。三個聯接端：陽極A(Anode)、陰極K(Kathode)和門極〔控制端〕G(Gate)。內部是PNPN四層半導體結構。圖2-7晶閘管的外形、結構和電氣圖形符號

a)外形b)結構c)電氣圖形符號晶閘管及模塊2.3.1晶閘管的結構與工作原理12/28/202332圖2-8晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理

a)雙晶體管模型b)工作原理晶閘管的工作原理按照晶體管工作原理，可列出如下方程：（2-2）（2-1）（2-3）（2-4）式中，

1和

2分別是晶體管V1和V2的共基極電流增益；ICBO1和ICBO2分別是V1和V2的共基極漏電流。2.3.1晶閘管的結構與工作原理12/28/202333晶體管的特性：在低發射極電流下是很小的，而當發射極電流建立起來之后，迅速增大，恒小于1。阻斷狀態：IG=0，而1+2是很小的。由(2-5)式可看出，此時流過晶閘管的漏電流只是稍大于兩個晶體管漏電流之和。導通狀態：注入觸發電流使各個晶體管的發射極電流增大以致1+2趨近于1的話，流過晶閘管的電流IA〔陽極電流〕將趨近于無窮大，從而實現器件飽和導通。由于外電路負載的限制，IA實際上會維持有限值。由以上式〔2-1〕~〔2-4〕可得：(2-5)2.3.1晶閘管的結構與工作原理12/28/202334其它幾種可能導通的情況：陽極電壓升高至相當高的數值造成雪崩效應陽極電壓上升率du/dt過高結溫較高光觸發光觸發可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而應用于高壓電力設備中，稱為光控晶閘管〔LightTriggeredThyristor——LTT〕。只有門極觸發是最精確、迅速而可靠的控制手段。2.3.2晶閘管的根本特性晶閘管正常工作時的特性當晶閘管承受反向電壓時，不管門極是否有觸發電流，晶閘管都不會導通。當晶閘管承受正向電壓時，僅在門極有觸發電流的情況下晶閘管才能開通。晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用，不管門極觸發電流是否還存在，晶閘管都保持導通。假設要使已導通的晶閘管關斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過晶閘管的電流降到接近于零的某一數值以下。12/28/2023352.3.2晶閘管的根本特性12/28/202336晶閘管靜態特性--伏安特性1〕正向特性當IG=0時，如果在器件兩端施加正向電壓，那么晶閘管處于正向阻斷狀態，只有很小的正向漏電流流過。如果正向電壓超過臨界極限即正向轉折電壓Ubo，那么漏電流急劇增大，器件開通。隨著門極電流幅值的增大，正向轉折電壓降低，晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。如果門極電流為零〔IG=0〕，并且陽極流降至接近于零的某一數值IH以下，那么晶閘管又回到正向阻斷狀態，IH稱為維持電流。

圖2-9晶閘管的伏安特性

IG2

>IG1

>IG

2.3.2晶閘管的根本特性12/28/2023372〕反向特性其伏安特性類似二極管的反向特性。晶閘管處于反向阻斷狀態時，只有極小的反向漏電流通過。當反向電壓超過一定限度，到反向擊穿電壓后，外電路如無限制措施，那么反向漏電流急劇增大，導致晶閘管發熱損壞。

圖2-9晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG2.3.2晶閘管的根本特性12/28/202338動態特性 1〕開通過程由于晶閘管內部的正反響過程需要時間，再加上外電路電感的限制，晶閘管受到觸發后，其陽極電流的增長不可能是瞬時的。延遲時間td(0.5~1.5s)上升時間tr(0.5~3s)開通時間tgt=td+tr延遲時間隨門極電流的增大而減小，上升時間除反映晶閘管本身特性外，還受到外電路電感的嚴重影響。提高陽極電壓，延遲時間和上升時間都可顯著縮短。

圖2-10晶閘管的開通和關斷過程波形100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2.3.2晶閘管的根本特性12/28/2023392〕關斷過程由于外電路電感的存在，原處于導通狀態的晶閘管當外加電壓突然由正向變為反向時，其陽極電流在衰減時必然也是有過渡過程的。反向阻斷恢復時間--trr正向阻斷恢復時間--tgr關斷時間--tq=trr+tgr關斷時間--約幾百微秒。在正向阻斷恢復時間內，如果重新對晶閘管施加正向電壓，晶閘管會重新正向導通，而不是受門極電流控制而導通。圖2-10晶閘管的開通和關斷過程波形100%反向恢復電流最大值尖峰電壓90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2.3.3晶閘管的主要參數電壓定額1〕斷態重復峰值電壓UDRM是在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復加在器件上的正向峰值電壓〔見圖2-9〕。國標規定斷態重復峰值電壓UDRM為斷態不重復峰值電壓〔即斷態最大瞬時電壓〕UDSM的90%。斷態不重復峰值電壓應低于正向轉折電壓Ubo。2〕反向重復峰值電壓URRM是在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復加在器件上的反向峰值電壓〔見圖2-8〕。規定反向重復峰值電壓URRM為反向不重復峰值電壓〔即反向最大瞬態電壓〕URSM的90%。反向不重復峰值電壓應低于反向擊穿電壓。12/28/2023402.3.3晶閘管的主要參數3〕通態〔峰值〕電壓UTM晶閘管通以某一規定倍數的額定通態平均電流時的瞬態峰值電壓。通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標值作為該器件的額定電壓。選用時，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓2~3倍。電流定額1〕通態平均電流IT(AV〕國標規定通態平均電流為晶閘管在環境溫度為40C和規定的冷卻狀態下，穩定結溫不超過額定結溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。同電力二極管的正向平均電流一樣，這個參數也是按正向電流造成的器件本身的通態損耗的發熱效應來定義的。使用時，一般取其通態平均電流為按發熱效應相等〔即有效值相等〕的原那么所得計算結果的1.5~2倍。12/28/2023412.3.3晶閘管的主要參數2〕維持電流IH維持電流是指使晶閘管維持導通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安。結溫越高，那么IH越小。3〕擎住電流IL擎住電流是晶閘管剛從斷態轉入通態并移除觸發信號后，能維持導通所需的最小電流。約為IH的2~4倍4〕浪涌電流ITSM指由于電路異常情況引起的并使結溫超過額定結溫的不重復性最大正向過載電流。12/28/2023422.3.3晶閘管的主要參數動態參數

開通時間=tgt關斷時間=tq；斷態電壓臨界上升率=du/dt在額定結溫和門極開路的情況下，不導致晶閘管從斷態到通態轉換的外加電壓最大上升率。電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導通。

通態電流臨界上升率=di/dt在規定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態電流上升率。如果電流上升太快，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞。12/28/2023432.3.4晶閘管的派生器件1〕快速晶閘管〔FastSwitchingThyristor——FST〕有快速晶閘管和高頻晶閘管。快速晶閘管的開關時間以及du/dt和di/dt的耐量都有了明顯改善。從關斷時間來看，普通晶閘管一般為數百微秒，快速晶閘管為數十微秒，而高頻晶閘管那么為10s左右。高頻晶閘管的缺乏在于其電壓和電流定額都不易做高。由于工作頻率較高，選擇快速晶閘管和高頻晶閘管的通態平均電流時不能忽略其開關損耗的發熱效應。12/28/2023442.3.4晶閘管的派生器件12/28/2023452〕雙向晶閘管〔TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor〕可以認為是一對反并聯聯接的普通晶閘管的集成。門極使器件在主電極的正反兩方向均可觸發導通，在第Ｉ和第III象限有對稱的伏安特性。雙向晶閘管通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。a)b)IOUIG=0GT1T2圖2-11雙向晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a)電氣圖形符號b)伏安特性2.3.4晶閘管的派生器件12/28/2023463〕逆導晶閘管〔ReverseConductingThyristor——RCT〕是將晶閘管反并聯一個二極管制作在同一管芯上的功率集成器件，不具有承受反向電壓的能力，一旦承受反向電壓即開通。具有正向壓降小、關斷時間短、高溫特性好、額定結溫高等優點，可用于不需要阻斷反向電壓的電路中。a)KGAb)UOIIG=0圖2-12逆導晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性

a)電氣圖形符號b)伏安特性2.3.4晶閘管的派生器件12/28/2023474〕光控晶閘管〔LightTriggeredThyristor——LTT〕是利用一定波長的光照信號觸發導通的晶閘管。由于采用光觸發保證了主電路與控制電路之間的絕緣，而且可以防止電磁干擾的影響，因此光控晶閘管目前應用在高壓大功率的場合。AGKa)AK光強度強弱b)OUIA圖2-13光控晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性

a)電氣圖形符號b)伏安特性2.4典型全控型器件12/28/202348門極可關斷晶閘管在晶閘管問世后不久出現。20世紀80年代以來，電力電子技術進入了一個嶄新時代。典型代表——門極可關斷晶閘管、電力晶體管、電力場效應晶體管、絕緣柵雙極晶體管。電力MOSFETIGBT單管及模塊2.4典型全控型器件12/28/2023492.4.1門極可關斷晶閘管GTO12/28/202350門極可關斷晶閘管〔GateTurnOffThyristor,GTO〕晶閘管的一種派生器件。可以通過在門極施加負的脈沖電流使其關斷，因而屬于全控型器件。GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級以上的大功率場合仍有較多的應用GTO的結構和工作原理GTO的結構是PNPN四層半導體結構。圖2-14GTO的內部結構和電氣圖形符號各單元的陰極、門極間隔排列的圖形并聯單元結構斷面示意圖電氣圖形符號是一種多元的功率集成器件，雖然外部同樣引出3個極，但內部那么包含數十個甚至數百個共陽極的小GTO元，這些GTO元的陰極和門極那么在器件內部并聯在一起。2.4.1門極可關斷晶閘管GTO12/28/202351

圖2-8晶閘管的雙晶體管模型 及其工作原理

a)雙晶體管模型b)工作原理GTO的工作原理仍然可以用如圖2-8所示的雙晶體管模型來分析，V1、V2的共基極電流增益分別是1、2。1+2=1是器件臨界導通的條件，大于1導通，小于1那么關斷。GTO與普通晶閘管的不同設計2較大，使晶體管V2控制靈敏，易于GTO關斷。導通時1+2更接近1，導通時接近臨界飽和，有利門極控制關斷，但導通時管壓降增大。多元集成結構，使得P2基區橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。2.4.1門極可關斷晶閘管GTO結論:導通：GTO的導通過程與普通晶閘管是一樣的，只不過導通時飽和程度較淺。關斷：門極加負脈沖，即從門極抽出電流，當兩個晶體管發射極電流IA和IK的減小使

1+

2<1時，器件退出飽和而關斷。多元集成結構：使得GTO比普通晶閘管開通過程更快，承受di/dt的能力增強。12/28/2023522.4.1門極可關斷晶閘管GTO12/28/202353GTO的動態特性開通過程與普通晶閘管類似。關斷過程儲存時間=ts下降時間=tf尾部時間=tt通常tf比ts小得多，而tt比ts要長。門極負脈沖電流幅值越大，前沿越陡，ts就越短。門極負脈沖的后沿緩慢衰減，在tt階段仍能保持適當的負電壓，那么可以縮短尾部時間tt。圖2-15GTO的開通和關斷過程電流波形Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6抽取飽和導通時儲存的大量載流子的時間等效晶體管從飽和區退至放大區，陽極電流逐漸減小時間殘存載流子復合所需時間2.4.1門極可關斷晶閘管GTOGTO的主要參數GTO的許多參數都和普通晶閘管相應的參數意義相同。其它參數最大可關斷陽極電流IATO；用來標稱GTO額定電流。電流關斷增益

off最大可關斷陽極電流IATO與門極負脈沖電流最大值IGM之比。

off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個主要缺點。12/28/2023542.4.1門極可關斷晶閘管GTO開通時間ton延遲時間與上升時間之和。延遲時間一般約1~2s，上升時間那么隨通態陽極電流值的增大而增大。關斷時間toff一般指儲存時間和下降時間之和，而不包括尾部時間。儲存時間隨陽極電流的增大而增大，下降時間一般小于2s。不少GTO都制造成逆導型，類似于逆導晶閘管。當需要承受反向電壓時，應和電力二極管串聯使用。12/28/202355電力晶體管〔GiantTransistor——GTR〕按英文直譯為巨型晶體管。GTR是一種耐高電壓、大電流的雙極結型晶體管〔BipolarJunctionTransistor——BJT〕，有時英文也稱為PowerBJT。20世紀80年代以來，GTR在中、小功率范圍內取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代。2.4.2電力晶體管12/28/202356GTR的結構和工作原理

2.4.2電力晶體管12/28/202357圖2-16GTR的結構、電氣圖形符號和內部載流子的流動a)內部結構斷面示意圖 b)電氣圖形符號c)內部載流子的流動+表示高摻雜濃度，-表示低摻雜濃度與普通的雙極結型晶體管根本原理是一樣的。主要的特性：耐壓高、電流大、開關特性好。采用至少由兩個晶體管按達林頓接法組成的單元結構。并采用集成電路工藝將許多這種單元并聯而成。GTR是由三層半導體構成，多采用NPN結構。2.4.2電力晶體管12/28/202358空穴流電子流c)EbEcibic=bibie=(1+b)ib圖2-16c)內部載流子的流動在應用中，GTR一般采用共發射極接法。集電極電流ic與基極電流ib之比為：

稱為GTR的電流放大系數，它反映了基極電流對集電極電流的控制能力。當考慮到集電極和發射極間的漏電流Iceo時，ic和ib的關系為：單管GTR的

值比處理信息用的小功率晶體管小得多，通常為10左右，采用達林頓接法可以有效地增大電流增益。(2-9)(2-10)2.4.2電力晶體管12/28/202359GTR的根本特性靜態特性在共發射極接法時的典型輸出特性分為截止區、放大區和飽和區三個區域。在電力電子電路中，GTR工作在開關狀態，即工作在截止區或飽和區。在開關過程中，即在截止區和飽和區之間過渡時，一般要經過放大區。截止區放大區飽和區OIcib3ib2ib1ib1<ib2<ib3Uce圖2-17共發射極接法時GTR的輸出特性2.4.2電力晶體管12/28/202360動態特性—開關特性開通過程需要經過延遲時間td和上升時間tr，二者之和為開通時間ton。增大基極驅動電流ib的幅值并增大dib/dt，可以縮短延遲時間，同時也可以縮短上升時間，從而加快開通過程。ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd圖2-18GTR的開通和關斷過程電流波形主要是由發射結勢壘電容和集電結勢壘電容充電產生的。是用來除去飽和導通時儲存在基區的載流子的，是關斷時間的主要部分。2.4.2電力晶體管12/28/202361關斷過程需要經過儲存時間ts和下降時間tf，二者之和為關斷時間toff。減小導通時的飽和深度以減小儲存的載流子，或者增大基極抽取負電流Ib2的幅值和負偏壓，可以縮短儲存時間，從而加快關斷速度。GTR的開關時間在幾微秒以內，比晶閘管和GTO都短很多。ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd圖2-18GTR的開通和關斷過程電流波形主要是由發射結勢壘電容和集電結勢壘電容充電產生的。是用來除去飽和導通時儲存在基區的載流子的，是關斷時間的主要部分。2.4.2電力晶體管12/28/202362GTR的主要參數電流放大倍數

直流電流增益hFE集電極與發射極間漏電流Iceo集電極和發射極間飽和壓降Uces開通時間ton關斷時間toff

2.4.2電力晶體管12/28/202363GTR其它主要參數1〕最高工作電壓GTR上所加的電壓超過規定值時，就會發生擊穿。擊穿電壓不僅和晶體管本身的特性有關，還與外電路的接法有關。發射極開路時，集電極和基極間的反向擊穿電壓Bucbo基極開路時，集電極和發射極間的擊穿電壓Buceo發射極與基極間用電阻聯接或短路聯接時，集電極和發射極間的擊穿電壓BUcer和Buces發射結反向偏置時，集電極和發射極間的擊穿電壓BUcex這些擊穿電壓間存在以下關系：實際使用GTR時，為了確保平安，最高工作電壓要比BUceo低得多。

2.4.2電力晶體管12/28/2023642)集電極最大允許電流IcM通常規定為hFE下降到規定值的1/2~1/3時，所對應的Ic

。實際使用時要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點。3)集電極最大耗散功率PcM最高工作溫度下，允許的耗散功率。產品說明書中給PcM時同時給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度。

2.4.2電力晶體管12/28/202365GTR的二次擊穿現象與平安工作區一次擊穿：當GTR的集電極電壓升高至擊穿電壓時，集電極電流迅速增大，這種首先出現的擊穿是雪崩擊穿，被稱為一次擊穿。二次擊穿：發現一次擊穿發生時如不有效地限制電流，Ic增大到某個臨界點時會突然急劇上升，同時伴隨著電壓的陡然下降，這種現象稱為二次擊穿。出現一次擊穿后，GTR一般不會損壞，二次擊穿常常立即導致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變，因而對GTR危害極大。2.4.2電力晶體管12/28/202366圖2-19GTR的安全工作區二次擊穿功率

平安工作區〔SafeOperatingArea—SOA〕將不同基極電流下二次擊穿的臨界點連接起來，就構成了二次擊穿臨界線。GTR工作時，不僅不能超過最高電壓UceM，集電極最大電流IcM和最大耗散功率PcM，也不能超過二次擊穿臨界線。2.4.3電力場效應晶體管電力場效應晶體管分為結型和絕緣柵型主要指絕緣柵型中的MOS型〔MetalOxideSemiconductorFET〕,簡稱電力MOSFET〔PowerMOSFET〕。結型電力場效應晶體管一般稱作靜電感應晶體管〔StaticInductionTransistor——SIT〕電力MOSFET是用柵極電壓來控制漏極電流的，其特點：驅動電路簡單，需要的驅動功率小。開關速度快，工作頻率高。熱穩定性優于GTR。電流容量小，耐壓低，多用于功率不超過10kW的電力電子裝置。12/28/2023672.4.3電力場效應晶體管電力MOSFET的結構和工作原理電力MOSFET的種類按導電溝道： 分為P溝道和N溝道。按導電溝道形成條件： 分為耗盡型和增強型。耗盡型：當柵極電壓為零時，漏源極之間就存在導電溝道的稱為耗盡型。增強型：對于N〔P〕溝道器件，柵極電壓大于〔小于〕零時，才存在導電溝道的稱為增強型。在電力MOSFET中，主要是N溝道增強型。12/28/202368圖2-20電力MOSFET的結構和電氣圖形符號a)內部結構斷面示意圖b)電氣圖形符號2.4.3電力場效應晶體管12/28/202369電力MOSFET的結構是單極型晶體管。導電機理與小功率MOS管相同，但結構上有較大區別：小功率MOS管是橫向導電器件；電力MOSFET大都采用了垂直導電結構，所以又稱為VMOSFET〔VerticalMOSFET〕，這大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力。按垂直導電結構的差異，分為利用V型槽實現垂直導電的VVMOSFET〔VerticalV-grooveMOSFET〕和具有垂直導電雙擴散MOS結構的DMOSFET〔VerticalDouble-diffusedMOSFET〕。電力MOSFET也是多元集成結構。2.4.3電力場效應晶體管電力MOSFET的工作原理截止：當漏源極間接正電壓，柵極和源極間電壓為零時，P基區與N漂移區之間形成的PN結J1反偏，漏源極之間無電流流過。導通：在柵極和源極之間加一正電壓UGS，正電壓會將其下面P區中的空穴推開，而將P區中的少子—電子吸引到柵極下面的P區外表。當UGS大于某一電壓值UT時，使P型半導體反型成N型半導體，該反型層形成N溝道而使PN結J1消失，漏極和源極導電。UT稱為開啟電壓〔或閾值電壓〕，UGS超過UT越多，導電能力越強，漏極電流ID越大。12/28/2023702.4.3電力場效應晶體管12/28/202371電力MOSFET的根本特性靜態特性–伏安特性轉移特性指漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關系，反映了輸入電壓和輸出電流的關系。ID較大時，ID與UGS的關系近似線性，曲線的斜率被定義為MOSFET的跨導Gfs，即

圖2-21電力MOSFET的轉移特性和輸出特性

a)轉移特性(2-11)是電壓控制型器件，其輸入阻抗極高，輸入電流非常小。2.4.3電力場效應晶體管12/28/202372輸出特性是MOSFET的漏極伏安特性。三個區域：截止區〔GTR的截止區〕、飽和區〔GTR的放大區〕、非飽和區〔GTR的飽和區〕。飽和是指漏源電壓增加時漏極電流不再增加；非飽和是指漏源電壓增加時漏極電流相應增加。工作在開關狀態，即在截止區和非飽和區之間來回轉換。本身結構所致，漏極和源極之間形成了一個與MOSFET反向并聯的寄生二極管。通態電阻具有正溫度系數，對器件并聯時的均流有利。圖2-21電力MOSFET的轉移特性和輸出特性b)輸出特性2.4.3電力場效應晶體管12/28/2023動態特性—開關過程開通過程:開通延遲時間td(on)

電流上升時間tr電壓下降時間tfv開通時間ton=td(on)+tri+

tfv

關斷過程:關斷延遲時間td(off)

電壓上升時間trv

電流下降時間tfi

關斷時間toff=td(off)+trv+tfiMOSFET的開關速度和其輸入電容Cin的充放電有很大關系。降低柵極驅動電路的內阻Rs，從而減小柵極回路的充放電時間常數，可以加快開關速度。圖2-22電力MOSFET的開關過程

a)測試電路b)開關過程波形732.4.3電力場效應晶體管不存在少子儲存效應，因而其關斷過程是非常迅速的。開關時間在10~100ns之間，其工作頻率可達100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。在開關過程中需要對輸入電容充放電，仍需要一定的驅動功率，開關頻率越高，所需要的驅動功率越大。12/28/2023742.4.3電力場效應晶體管電力MOSFET的主要參數跨導Gfs、開啟電壓UT以及開關過程中的各時間參數。漏極電壓UDS標稱電力MOSFET電壓定額的參數。漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM標稱電力MOSFET電流定額的參數。柵源電壓UGS柵源之間的絕緣層很薄，UGS>20V將導致絕緣層擊穿。極間電容CGS、CGD和CDS。漏源間的耐壓、漏極最大允許電流和最大耗散功率決定了電力MOSFET的平安工作區。12/28/202375COOLMOS12/28/202376COOLMOS也有叫superjunctionmosfet的。一種基于電子科技大學陳星弼院士創造專利，打破傳統功率MOSFET理論極限，被國際上盛譽為功率MOSFET領域里程碑的新型功率MOSFET-CoolMOS于1998年問世并很快走向市場。2.4.4絕緣柵雙極晶體管GTR和GTO是雙極型電流驅動器件，由于具有電導調制效應，其通流能力很強，但開關速度較低，所需驅動功率大，驅動電路復雜。電力MOSFET是單極型電壓驅動器件，開關速度快，輸入阻抗高，熱穩定性好，所需驅動功率小而且驅動電路簡單。絕緣柵雙極晶體管〔Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT〕綜合了GTR和MOSFET的優點，因而具有良好的特性。12/28/202377圖2-23IGBT的結構、簡化等效電路和電氣圖形符號a)內部結構斷面示意圖b)簡化等效電路c)電氣圖形符號RN為晶體管基區內的調制電阻。

2.4.4絕緣柵雙極晶體管12/28/202378IGBT的結構和工作原理IGBT的結構是三端器件，具有柵極G、集電極C和發射極E。由N溝道VDMOSFET與雙極型晶體管組合而成的IGBT，比VDMOSFET多一層P+注入區，實現對漂移區電導率進行調制，使得IGBT具有很強的通流能力。簡化等效電路說明，IGBT是用GTR與MOSFET組成的達林頓結構，相當于一個由MOSFET驅動的厚基區PNP晶體管。2.4.4絕緣柵雙極晶體管IGBT的工作原理IGBT的驅動原理與電力MOSFET根本相同，是一種場控器件。

其開通和關斷是由柵極和發射極間的電壓UGE決定的。當UGE為正且大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內形成溝道，并為晶體管提供基極電流進而使IGBT導通。當柵極與發射極間施加反向電壓或不加信號時，MOSFET內的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，使得IGBT關斷。

電導調制效應使得電阻RN減小，這樣高耐壓的IGBT也具有很小的通態壓降。12/28/2023792.4.4絕緣柵雙極晶體管12/28/202380IGBT的根本特性靜態特性—伏安特性轉移特性描述的是集電極電流IC與柵射電壓UGE之間的關系。開啟電壓UGE(th)是IGBT能實現電導調制而導通的最低柵射電壓，隨溫度升高而略有下降。（a）圖2-24IGBT的轉移特性和輸出特性a)轉移特性2.4.4絕緣柵雙極晶體管12/28/202381輸出特性〔伏安特性〕描述的是以柵射電壓為參考變量時，集電極電流IC與集射極間電壓UCE之間的關系。分為三個區域：正向阻斷區、有源區和飽和區。當UCE<0時，IGBT為反向阻斷工作狀態。在電力電子電路中，IGBT工作在開關狀態，因而是在正向阻斷區和飽和區之間來回轉換。(b)圖2-24IGBT的轉移特性和輸出特性

b)輸出特性2.4.4絕緣柵雙極晶體管12/28/202382動態特性開通過程：開通延遲時間td(on)

電流上升時間tr電壓下降時間tfv開通時間ton=td(on)+tr+

tfvtfv分為tfv1和tfv2兩段。關斷過程：關斷延遲時間td(off)

電壓上升時間trv

電流下降時間tfi

關斷時間toff=td(off)+trv+tfitfi分為tfi1和tfi2兩段。引入了少子儲存現象，因而IGBT的開關速度要低于電力MOSFET。圖2-25IGBT的開關過程2.4.4絕緣柵雙極晶體管IGBT的主要參數前面提到的各參數。最大集射極間電壓UCES由器件內部的PNP晶體管所能承受的擊穿電壓所確定的。最大集電極電流包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP。最大集電極功耗PCM

在正常工作溫度下，允許的最大耗散功率。

12/28/2023832.4.4絕緣柵雙極晶體管IGBT的特性和參數特點可以總結如下：開關速度高，開關損耗小。在相同電壓和電流定額的情況下，IGBT的平安工作區比GTR大，而且具有耐脈沖電流沖擊的能力。通態壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區域。

輸入阻抗高，其輸入特性與電力MOSFET類似。與電力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐壓和通流能力還可以進一步提高，同時保持開關頻率高的特點。12/28/2023842.4.4絕緣柵雙極晶體管IGBT的擎住效應和平安工作區IGBT的擎住效應在IGBT內部寄生著一個N-PN+晶體管和作為主開關器件的P+N-P晶體管組成的寄生晶閘管。其中NPN晶體管的基極與發射極之間存在體區短路電阻，P形體區的橫向空穴電流會在該電阻上產生壓降，相當于對J3結施加一個正向偏壓，一旦J3開通，柵極就會失去對集電極電流的控制作用，電流失控，這種現象稱為擎住效應或自鎖效應。引發擎住效應的原因，可能是集電極電流過大〔靜態擎住效應〕，dUCE/dt過大〔動態擎住效應〕，或溫度升高。動態擎住效應比靜態擎住效應所允許的集電極電流還要小，因此所允許的最大集電極電流實際上是根據動態擎住效應而確定的。12/28/2023852.4.4絕緣柵雙極晶體管IGBT的平安工作區正向偏置平安工作區〔ForwardBiasedSafeOperatingArea——FBSOA〕根據最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大集電極功耗確定。反向偏置平安工作區〔ReverseBiasedSafeOperatingArea——RBSOA〕根據最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率dUCE/dt確定。12/28/2023862.5其他新型電力電子器件12/28/2023872.5.1MOS控制晶閘管MCTMCT〔MOSControlledThyristor〕是將MOSFET與晶閘管組合而成的復合型器件。結合了MOSFET的高輸入阻抗、低驅動功率、快速的開關過程和晶閘管的高電壓大電流、低導通壓降的特點。由數以萬計的MCT元組成，每個元的組成為：一個PNPN晶閘管，一個控制該晶閘管開通的MOSFET，和一個控制該晶閘管關斷的MOSFET。其關鍵技術問題沒有大的突破，電壓和電流容量都遠未到達預期的數值，未能投入實際應用。12/28/2023882.5.2靜電感應晶體管SIT(StaticInductionTransistor,SIT)，是一種結型場效應晶體管。是一種多子導電的器件，其工作頻率與電力MOSFET相當，甚至超過電力MOSFET，而功率容量也比電力MOSFET大，因而適用于高頻大功率場合。柵極不加任何信號時是導通的，柵極加負偏壓時關斷，這被稱為正常導通型器件，使用不太方便，此外SIT通態電阻較大，使得通態損耗也大，因而SIT